一种丹霞地貌参数测量方法与流程

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技术领域：
】本发明涉及无人机测绘
技术领域：
，具体涉及一种丹霞地貌参数测量方法。
背景技术：
：丹霞地貌是以陡崖坡为特征的红层地貌。丹霞地貌在我国广泛分布，相对集中分布在东南、西南和西北三个地区。裸露的红色陡崖坡是丹霞地貌最重要的识别要素。由于岩层产状不同，丹霞地貌顶面形态有“斜顶、圆顶、尖顶”等多种类型；由于直接作用于陡崖坡的动力类型差异，可以分为崩塌后壁型、流水侵蚀型、风化改造型、多动力综合型等；由于红层岩性和外力作用的差异，丹霞陡崖坡常有各种洞穴、凹槽、竖向沟槽分布；此外，受间歇性构造隆升的影响，陡崖坡还表现出多层次的坡面组合，现实中丹霞地貌的坡面形态复杂多样。有学者采用面积—高度比曲线法划分丹霞地貌发育阶段，但与现在技术结合不够，定量研究不足。丹霞地貌中丹霞山数量、谷地数量、丹霞山形态、坡度、高度、体积、岩层倾角、产状、走向、丹霞谷地宽度、丹霞地貌形成过程中被蚀去的断面面积、丹霞地貌侵蚀区长度等参数都是丹霞地貌定量描述、研究、开发利用和保护的基础数据。目前丹霞地貌测量方式主要是地面现场测量，多采用全站仪、激光测距仪等设备进行，丹霞地貌形态则多采用素描、拍照等方式记录。在丹霞地貌测量过程中，现场测量的工作量大，由于丹霞地貌复杂，山陡谷深，往往无法精准、全面地采集丹霞地貌参数，整个测量工作周期长，精度低，由于测量人员对丹霞地貌认知不同，加上丹霞地貌测量条件的限制，往往测量结果难以重复和标准化，导致所测丹霞地貌参数偏差大，难以标准。随着测绘无人机的发展，大面积和复杂危险地形的测绘得以实现。尤其近些年来，小型智能无人机技术得到了突飞猛进地发展，具有成本低、人员安全风险低、搭载设备多样、操控简单、工作效能高等特点，目前大量应用于数字城市建设、工程地质勘察等领域，极大地提高了作业效率。然而，丹霞山岩壁陡峭，地形复杂，现有的技术无法精准、全面地采集丹霞山的图像数据，如何利用无人机测绘技术对丹霞地貌参数进行测绘，目前还没有相关报道。技术实现要素：本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种丹霞地貌参数测量方法，本发明的方法结合丹霞地貌特性，利用优化的多源卫星遥感解译、无人机测绘和图像处理等技术，能够测量丹霞全貌，实现丹霞地貌重要参数标准化测量，具有效率高、测量全面准确、操作简单的优点。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种丹霞地貌参数测量方法，包括以下步骤：s1，丹霞地貌多源卫星遥感解译：收集待测丹霞地貌区域的资料，包括多源卫星数据、地形数据和地质资料，对不同来源的卫星遥感影像进行处理，综合解译待测丹霞地貌区域的典型丹霞地貌；s2，无人机数据采集：采用无人机作为数据采集平台；首先室内确定丹霞地貌数据采集区域，并进行航线规划，采用井字形航线和立面航线规划，将设计好的航线导入无人机后，操控无人机按照规划的航线进行无人机倾斜摄影测量，智能采集数据；地形起伏大的区域采用仿地飞行方式获取测量区域的数据；部分地形复杂区域采用人工手动飞行补充航拍数据；s3，航拍图像处理：采用图像处理软件对无人机拍摄的照片进行去云雾处理，保证照片清晰，采用pix4d、contextcapture软件按照流程处理无人机采集的数据，选择2000国家大地坐标系，进行空三解算，生成丹霞地貌区域的正射影像、数字地表模型、三维模型和点云；s4，丹霞地貌参数测量及分析：对步骤s3得到的丹霞地貌模型进行切割，识别并提取丹霞山单体，进行丹霞地貌参数测量。进一步地，所述步骤s1中的卫星数据来自landsat卫星、高分一号、高分二号、worldview等卫星，卫星遥感影像处理和综合解译包含以下过程：s101，遥感影像处理：对多源卫星数据进行全色与多光谱波段的配准、融合，正射校正，镶嵌；landsat卫星数据采用第7、第4和第1波段进行组合，能更好地区分丹霞地貌的岩性边界；landsat卫星数据采用第4、第3和第2波段组合，形成分辨率更高的融合影像模拟自然真彩色正射影像图，与地物真实色彩相近，能更好地进行丹霞地貌目视识别；其他类型卫星根据各自波段特征进行组合，用于丹霞地貌识别。s102，丹霞地貌解译标志：根据landsat卫星741波段组合影像，划分丹霞地貌区域，裁切保留丹霞地貌区域影像；结合裁切的丹霞地貌区域地形数据，在envi软件中形成卫星正射影像的三维可视化场景，采用432波段组合形成自然真彩色影像，用于圈定丹霞山单体范围；再通过其他高分辨率卫星数据，如高分一号、高分二号、worldview等进一步确定位置和范围，解译出典型的丹霞山。进一步地，所述步骤s2中确定丹霞地貌数据采集区域的方法为：通过多源卫星遥感影像解译得到丹霞地貌的范围和位置，识别丹霞山，根据地面分辨率条件，结合奥维地图初步划定无人机数据采集区域的矢量，以kml文件形式保存。进一步地，所述步骤s2中航线规划的方法为：将确定的采集区域kml文件导入无人机飞控系统，根据分辨率及实地地形情况，确定飞行高度及重叠率；为保证测量的精准，比例尺设置为大于1:1000；在起伏较大的区域，即正负地形高差超过200m的区域，导入该区域地形数据，采用仿地飞行模式，确保数据采集的精准；航线的航高设置依据以下公式：航高＝(相机镜头焦距×地面分辨率)/相机像元尺寸；航高单位为米，地面分辨率单位为米，相机镜头焦距单位为毫米，相机像元尺寸为微米；在划定飞行区域沿主轴方向规划，采用弓字形飞行路线，考虑到负地形采集全面，航向重叠率不低于80％，旁向重叠率不低于65％。进一步地，所述步骤s2中操控无人机智能采集数据时，按下以下条件进行：飞行环境：在无风或微风、晴朗、能见度高的正午进行数据采集；飞行方式：保证飞控系统与无人机连接，按照规划的航线飞行，在有cors信号的区域，采用无人机飞控系统与cors站连接，发射差分改正数据给无人机，保证照片pos信息的精准；如没有cors信号，采用ppk方式进行飞行，以确保采集数据的高准确性；数据的完整性：在高差较大区域，即正负地形高差超过200m的地形区域，因为负地形复杂，容易造成负地形或者部分丹霞山体局部区域出现数据采集重叠率低的情况，所以在完成自动航线数据采集后，根据地形情况，由人工操作无人机补充复杂负地形区域的数据采集；数据检查：每个架次飞行完毕，导出影像和pos数据进行质量检查，主要检查照片影像质量、pos信息完备性、航向和旁向重叠率。进一步地，所述步骤s4丹霞地貌参数测量及分析具体方法为：s401，模型切割：对步骤s3得到的丹霞地貌数字地表模型、三维模型、点云进行分析，将点云通过cyclone软件进行过滤处理，除去冗余数据，在cloudcompare点云处理软件中，将识别确定的丹霞区域切割，得到典型完整的丹霞地貌；s402，丹霞山单体提取：在cyclone软件中对切割的丹霞地貌进行分析，有多个丹霞山时，识别丹霞山单体，采用软件中的编辑工具提取丹霞山单体；s403，丹霞地貌参数选取：在众多丹霞地貌参数中选择最能反映丹霞地貌特征的参数，包括：丹霞山数量、谷地数量、丹霞山形态、坡度、丹霞山高度、丹霞山体积、岩层倾角、产状、走向、丹霞谷地宽度、丹霞地貌形成过程中被蚀去的断面面积、丹霞地貌侵蚀区长度。s403，丹霞地貌参数测量：基于cyclone和cloudcompare软件进行丹霞地貌参数测量，对丹霞山和谷地数量、丹霞地貌系列参数进行测量，测量方法和要求如下：丹霞山数量：在切割的丹霞地貌中，不连续的丹霞山独立算为丹霞山单体，从而计算丹霞山单体数量；谷地数量：在切割的丹霞地貌中，独立完整的负地形为谷地，从而计算丹霞谷地数量；丹霞山形态：水平面截取丹霞山单体底部，形成的边缘轮廓；丹霞山坡度、产状和走向：采用cloudcompare软件中的compass工具进行丹霞山坡度、产状和走向测量；丹霞山高度：计算丹霞山最高处到水平面的垂直距离；丹霞山体积：在丹霞山顶部形成水平面，计算该水平面与底部水平面之间的山体体积；岩层倾角：选择要测量的岩层，测量其与水平面夹角；丹霞谷地宽度：丹霞谷地两侧崖壁上缘之间的宽度；蚀去断面面积：丹霞地貌形成过程中被蚀去的断面面积，量取蚀去断面面积；丹霞地貌侵蚀区长度：丹霞地貌侵蚀区最大长度，量取侵蚀区最远两个端点距离；参数分析：基于cyclone软件进行丹霞地貌的分析，包括丹霞地貌的分解、合并、放大或缩小，产生多个平面对丹霞地貌进行分段切割分析，丹霞山单体的对比、谷地的对比。综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：1、本发明首先对卫星遥感影像进行处理，通过不同波段的组合划分丹霞与非丹霞区域、圈定丹霞山和谷地，从而将典型的丹霞地貌解译出来，做好区域划定，为无人机的航线规划提供基础材料，减少航线规划的人工勘测工作量，提高工作效率。2、本发明在利用无人机采集数据时，针对丹霞山岩壁陡峭和地貌复杂的地形，采用井字型航线规划和立面航线规划，并采用弓字形飞行路线，且在正负地形高差超过200m的区域调整无人机进行仿地飞行方式获得数据，但部分区域仍然无法通过智能航线方式获取完整数据，导致数据缺失，所以对部分难以覆盖的区域采用人工手动飞行，连续拍照方式补充航拍数据，从而保证数据的齐备性，增加了测量的准确性。3、本发明通过pix4d、contextcapture软件进行航拍照片空三处理，获得丹霞地貌测量区域的正射影像、地表数字模型、三维模型和点云。在将点云通过cyclone软件进行过滤处理，除去冗余数据，采用cyclone软件中的测量工具和cloudcompare中compass工具，根据丹霞地貌参数定义确定具体测量方法，获得该参数精准的测量数据。解决了过去测量方法无法精准测量丹霞山形态、产状、走向、岩层倾角、体积、侵蚀断面面积、侵蚀区长度等参数的问题。4、本发明通过无人机进行丹霞地貌数据的采集，可以获得包括丹霞点和谷地在内的丹霞全貌，解决了由于丹霞山陡峭、山与谷地高差较大、地形复杂等客观原因外业人工无法测量或测量不准确的问题，得到了全覆盖、高精度、多视角的丹霞地貌数据，操作简单高效。航拍获取的数据经空三计算后生成数字正射影像、数字表面模型，三维模型和点云。切割典型丹霞地貌模型，通过点云软件在室内可标准测量丹霞地貌系列参数，测量参数全面、准确度高，还可进行所需分析，为丹霞地貌的研究、保护、开发利用提供了永久的测量数据。【附图说明】图1是本发明一种丹霞地貌参数测量方法的测量流程图；图2是本发明具体实施方式中丹霞地貌图像经处理的正射影像；图3是本发明具体实施方式中丹霞地貌图像经处理的数字地表模型；图4是本发明具体实施方式中丹霞地貌图像经处理的三维模型；图5是本发明具体实施方式中丹霞地貌的多个丹霞山单体和谷地单体；图6是本发明具体实施方式中丹霞山高度的测量示意图；图7是本发明具体实施方式中丹霞山坡度的测量示意图；图8是本发明具体实施方式中丹霞山产状的测量示意图；图9是本发明具体实施方式中丹霞山走向的测量示意图；图10是本发明具体实施方式中丹霞山岩层倾角的测量示意图；图11是本发明具体实施方式中丹霞山谷地长度的测量示意图；图12是本发明具体实施方式中丹霞山谷地宽度测量示意图。【具体实施方式】本发明提供一种丹霞地貌参数测量方法，其测量的流程图见图1所示。为了更清楚地表达本发明，以下通过以桂林八角寨丹霞景区为例进行丹霞地貌参数测量，从而对本发明作进一步详细说明，其具体实施方式及步骤如下：一种丹霞地貌参数测量方法，包括以下步骤：s1，丹霞地貌多源卫星遥感解译：收集待测丹霞地貌区域的资料，包括多源卫星数据、地形数据和地质资料，对不同来源的卫星遥感影像进行处理，综合解译待测丹霞地貌区域的典型丹霞地貌；卫星数据来自landsat8高分一号、高分二号和worldview卫星，卫星遥感影像处理和综合解译包含以下过程：s101，遥感影像处理：对landsat8卫星数据进行全色与多光谱波段的配准、融合，正射校正；landsat8卫星数据采用第7、第4和第1波段进行组合，能更好反映丹霞地貌的岩性边界；landsat8卫星数据采用第4、第3和第2波段组合，形成高分辨融合影像模拟自然真彩色正射影像图，与地物真实色彩相近，能更好地进行目视识别；s102，丹霞地貌解译标志：根据landsat8卫星741波段组合影像，划分丹霞地貌区域，裁切保留丹霞地貌区域影像；结合裁切的丹霞地貌地形数据，在envi软件中形成卫星正射影像的三维可视化场景，采用432波段组合，圈定典型的丹霞山和丹霞谷地负地形区域；再通过高分一号、高分二号、worldview卫星数据对比，进一步确定范围、位置，解译出典型的丹霞地貌。s2，无人机数据采集：采用精灵phantom4rtk无人机作为数据采集平台；首先室内确定丹霞地貌数据采集区域，并进行航线规划，采用井字形航线和立面航线规划，将设计好的航线导入无人机后，操控无人机按照规划的航线进行无人机倾斜摄影测量，智能采集数据；地形起伏大的区域采用仿地飞行方式获取测量区域的数据；部分地形复杂区域采用人工手动飞行补充航拍数据；具体为：s201，确定丹霞地貌地貌数据采集区域：通过步骤s1卫星遥感影像解译得到的范围、位置，以及地面分辨率条件，结合奥维地图初步划定无人机数据采集区域的矢量，以kml文件形式保存；s202：航线规划的方法为：将确定的采集区域kml文件导入无人机飞控系统，根据分辨率及实地地形情况，确定飞行高度及重叠率；为保证测量的精准，比例尺设置为大于1:1000；在起伏较大的区域，即正负地形高差超过200m的区域，导入该区域地形数据，采用仿地飞行模式，确保数据采集的精准；航线的航高设置依据以下公式：航高＝(相机镜头焦距×地面分辨率)/相机像元尺寸；地面分辨率单位为米，相机镜头焦距单位为毫米，相机像元尺寸为微米；航高单位为米。在划定飞行区域沿主轴方向规划，采用弓字形飞行路线，考虑到正负地形采集全面，本实施例中的飞行参数见表1。表1八角寨丹霞地貌航线规划参数飞行高度(m)航向重叠率旁向重叠率航测面积(km2)参数25080％70％15s203：操控无人机智能采集数据时，按下以下条件进行：飞行环境：在无风或微风、晴朗、能见度高的正午进行数据采集；飞行方式：保证飞控系统与无人机连接，按照规划的航线飞行，在有cors信号的区域，采用无人机飞控系统与cors站连接，发射差分改正数据给无人机，保证照片pos信息的精准；如没有cors信号，采用ppk方式进行飞行，以确保采集数据的高准确性；本次飞行采用的是cors信号方式。数据的完整性：在高差较大，即正负地形高差超过200m的地形，由于负地形复杂，在完成自动航线数据采集后，根据地形，由人工操作无人机补充采集难以覆盖区域的数据；数据检查：每个架次飞行完毕，导出影像和pos数据进行质量检查，主要检查照片影像质量、pos信息完备性、航向和旁向重叠率。s3，图像处理：采用图像处理软件对照片进行去云雾处理，保证照片清晰，采用pix4d、contextcapture软件按照流程处理无人机采集的数据，选择2000国家大地坐标系，进行空三解算，生成岩溶坡立谷地貌的正射影像、数字地表模型、三维模型和点云；得到的正射影像、数字地表模型、三维模型分别见图2-4。s4，丹霞地貌参数测量及分析：对步骤s3得到的丹霞地貌模型进行切割，识别并提取丹霞地貌，进行丹霞地貌参数测量。s401，模型切割：对步骤s3得到的丹霞地貌数字地表模型、三维模型、点云进行分析，将点云通过cyclone软件进行过滤处理，除去冗余数据，在cloudcompare点云处理软件中，将丹霞地貌与非丹霞地貌切割开来，得到典型的丹霞完整地貌；s402，丹霞山和谷地单体提取：对切割的丹霞地貌进行分析，在cyclone软件中识别并提取丹霞山单体和谷地单体，八角寨景区案例中提取了6个丹霞山和4个谷地。如图5。s403，丹霞地貌参数选取：在多种丹霞参数中选择最能反映丹霞地貌特征的参数，包括：丹霞山数量、谷地数量、丹霞山形态、坡度、丹霞山高度、丹霞山体积、岩层倾角、产状、走向、丹霞地貌形成过程中被蚀去的断面面积、丹霞地貌侵蚀区长度。s403，丹霞地貌参数测量：基于cyclone软件、cloudcompare软件进行丹霞地貌参数测量，对丹霞山单体数量、谷地单体数量、相关丹霞地貌参数进行测量，方法如下：丹霞山数量：在切割的丹霞地貌中，不连续的丹霞山独立算为丹霞山单体，从而计算丹霞山单体数量，见图5，计算得到6个丹霞山和4个谷地。谷地数量：在切割的丹霞地貌中，独立完整的负地形为谷地，从而计算丹霞谷地数量；丹霞山形态：水平面截取丹霞山单体底部，形成的边缘轮廓；丹霞山高度：在丹霞山单体最高处与丹霞山底部的垂直距离，计算丹霞山底平面到山顶平面的距离；见图6，测得其中一个丹霞山单体高度为230.401m；丹霞山体积：在丹霞山顶部形成水平面，计算该水平面与底部水平面之间的山体体积。丹霞山坡度、产状和走向：采用cloudcompare软件中的compass工具进行丹霞山坡度、产状和走向测量，见图7-9。岩层倾角：选择要测量的岩层，测量其与水平面夹角，见图10。谷地长度测量：选取谷地的起点和终点，量取两点间的直线距离。见图11，测得其中一个谷地的长度为2597.470m。谷地宽度测量：测量谷地两个崖壁的水平垂直距离。见图12，测得其中一个谷地宽度为348.829m，。蚀去断面面积：丹霞地貌形成过程中被蚀去的断面面积。量取蚀去断面面积。丹霞地貌侵蚀区长度：丹霞地貌侵蚀区最大长度，量取侵蚀区最远两个端点距离。参数分析：基于cyclone软件进行丹霞地貌的分析，包括丹霞地貌的分解、合并、放大或缩小，产生多个平面对丹霞地貌进行分段切割分析，丹霞山单体的对比、谷地的对比。本发明的测量参数全面、准确度高，还可进行所需分析，为丹霞地貌的研究、保护、开发利用提供了永久的测量数据。上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。当前第1页12